沪宁城际铁路软土路基地基处理设计综述

李　杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

The Review of Subsoil Treatment Design of Soft Subgrade in Shanghai-Nanjing Intercity Railway

LI Jie

沪宁城际铁路软土路基地基处理设计综述

李杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

The Review of Subsoil Treatment Design of Soft Subgrade in Shanghai-Nanjing Intercity Railway

LI Jie

摘要以沪宁城际铁路路基工点设计为例，介绍钻孔桩联合板梁结构、管桩桩筏整体结构、CFG桩桩筏结构、CFG桩桩网结构、碎石注浆桩桩筏整体结构、搅拌桩结合素混凝土微型桩等新型地基处理措施的应用情况。

关键词软土路基钻孔桩管桩CFG桩碎石注浆桩搅拌桩微型桩

1工程概况

新建沪宁城际铁路西起江苏省南京市既有南京站，向东基本沿既有沪宁铁路走行，经由镇江市、常州市、无锡市、苏州市，终至既有上海站。丹阳以西主要通过宁镇剥蚀残丘及长江高阶地，以东主要为长江三角洲平原区。正线全长300.2 km，设计时速300 km，共设车站21座。全线除南京站、上海西至上海站区间铺设有砟轨道外，其余地段均铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道；全线约170 km并行既有沪宁铁路，以路基形式下穿既有铁路、公路共有17处。正线路基长度99.899 km，上海西至上海站利用既有线改建路基长度4.18 km，总计104.069 km，占线路全长的34.7%。其中，南京站至上海西站新建区间路基长度79.290 km，站场路基长度20.599 km；正线路堑长度14.348 km，路堤长度84.386 km。软土及松软土路基长达61.514 km，黄渡至虹桥站直通线均为软土路堤，长度0.819 km，其它联络线、动车走行线等路基长度共8.017 km，其中软土路基长度5.032 km。

2路基工点复杂程度和主要特点

沪宁城际铁路是世界上第一条修建于冲积平原深厚软土地区的无砟轨道高速铁路。丹阳以东主要通过长江三角洲平原区，沿线深厚层软土、松软土地基分布广泛，约占线路长度的61%；成因类型复杂，包括不同时代冲积相、冲湖积相、湖沼积相、冲海积相等；地层结构复杂，厚度、埋藏深度变化大，软土最厚达45 m，且苏州以东多为“二层”或“三层”状结构。软土地基具有含水量大、孔隙比大、压缩性高、灵敏度高、强度低的特点，且不同成因软土性质存在显著差异，空间埋藏规律变化较大。而CRTSⅠ型板式无砟轨道结构对路基沉降变形控制提出了严格的要求，一般地段工后沉降不宜超过15 mm，桥路、隧路过渡段差异沉降不应大于5 mm。在如此复杂的深厚软土地区，要实现无砟轨道路基工后沉降极其严格的控制要求，选择技术可靠、经济合理、施工可行、环境友好的地基处理方案是本项目需解决的最关键技术问题。

沪宁城际铁路沿线共设置车站21座，且多在既有站对侧新建城际站，部分车站还利用了既有车场到发线。又分别在南京和上海修建直通线、联络线、动车走行线引入枢纽和动车运用所，线路平面关系极其复杂，技术标准跨越大，涵盖了时速300 km无砟轨道至80 km有砟轨道各时速路基技术标准。其中正线除南京站、上海西至上海站利用既有线改建地段，以及车站到发线铺设有砟轨道外，其余DK1+000～DK291+435段铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道；黄渡至虹桥站直通线为时速300 km无砟轨道，南京跨线联络线为时速120 km有砟轨道，南京西动车走行线、南翔动车走行线为80～120 km/h有砟轨道。正线、到发线、联络线、直通线动车走行线等不同线别设计标准差异极大，路基结构形式、填料及压实标准、工后沉降控制标准等各不相同，同时还要在不同轨道结构、不同时速、不同工程类型间设置多种形式的过渡段。工程设计时，只有统筹考虑不同线别的技术标准、平面关系和相互影响，通过系统设计，才能合理选择确定既满足各线技术标准，又可有效控制工程投资的地基处理方案，这也是本线软土路基设计的一个显著特点。

沪宁城际铁路并行既有沪宁线约170 km，其中软土路基约46.7 km。既有沪宁铁路行车密度大，要保证并行地段地基处理不影响既有线安全运营，对地基处理方案、地基加固机具设备、施工工艺的选择均提出了严格的要求；沿线经济发达，城市发展迅速，沪宁城际铁路多处下穿既有高速公路、市政道路和铁路，其中17处以路基形式通过。受施工安全、空间高度控制，地基处理方式选择也受到了很大限制，且沿线居民区等环境敏感点多，地基处理施工环保要求高，设计时需考虑施工对环境的影响。再加上长江三角洲平原区地势低平，河、湖、沟、塘密布，水网发育，且多为内涝区，路基排水难度大，地基处理设计时还要考虑内涝浸水的不利影响。复杂的环境条件，使软土路基设计面临空前挑战，复杂程度和难度巨大。

3软土路基处理设计技术难度

工后沉降控制在允许的范围内是无砟轨道高速铁路路基工程设计最关键技术问题，直接关系到工程建设的成败，也是工程设计首要合理解决的问题。沪宁城际铁路沿线路基大部分通过深厚层软土地区，是国内外首次在深厚层软土地基上修建无砟轨道路基的高速铁路，沉降控制设计难度尤为巨大。

除工后沉降控制外，差异沉降的控制也是设计难点。①纵向差异沉降控制：本线桥涵众多、过渡频繁、部分地段软土地面起伏较大，要实现路基与桥梁等构筑物间的刚度与变形平稳过渡，保证旅客列车高速、平稳、舒适的运营，纵向差异沉降控制设计是关键。②横向差异沉降控制：枢纽和车站内并行线路众多，如新线与既有线并行、正线与站线并行、不同标准铁路并行等，要保证不同铁路均有良好的工作性状，同时有效控制投资，必须作好横向差异沉降控制设计。

沿线受既有道桥、高压走廊等构筑物和既有线路肩高程控制，路基工程主要为低矮软土路堤，大部分地段路基填高接近或小于基床厚度。实测资料表明：采用传统方案处理的低矮软土路基自身抗变形、调节应力的能力差，列车动力作用会传递至基底以下，地基土在长期动力作用下会产生较大的塑性变形，对路基面变形和轨道结构的平顺性和安全性造成不利影响，由此引起的路基病害时有发生。因此，本线地基处理设计不仅要确保有效控制工后沉降，还要充分考虑列车长期动应力对地基的影响，需针对不同处理方案，采取与之相匹配的浅层水平向加强措施，进一步加大了地基处理设计的难度。

受制于复杂的环境边界条件控制，本项目地基处理方案、施工机具设备、施工工艺的选择均受到了很大限制。根据工点所处复杂的环境条件以及安全、环保等要求，地基处理设计中充分吸收了京沪高速铁路昆山试验段等前期课题研究成果，以及地方岩土工程处理经验，经充分论证分析和方案比选，研发并采用了大量新技术，新结构，包括钻孔桩联合多跨连续薄板梁结构、预应力管桩“桩承式”路堤、CFG桩桩筏结构、碎石注浆桩桩筏结构、素混凝土微型桩技术等，适应了复杂环境条件下的软土地基处理要求。

4典型软土路基地基处理设计措施

针对沪宁城际铁路特点，软土路基设计时，在充分分析本线软土地基工程性质、技术标准和建设边界条件等主要约束技术条件的基础上，按照创优设计的规划目标，贯彻执行“强本简末、资源节约、环境友好”铁路建设新理念，对地基处理设计措施进行多方案精心优化比选，确定合理的地基处理措施，强化了满足路基功能及保证安全的设计，自主研发和引进多项新技术、新结构，并严格控制工程投资。从实施和监测情况看，成功的控制了深厚软土路基工后沉降，设计达到了工程要求并有效控制了工程投资。目前，沪宁城际铁路已成功运营两年有余，软土路基性能状态良好。相关设计成果为我国高速铁路软土路基工程建设提供了可供借鉴的设计、施工理论与实践经验，并已在其他高速铁路中得到了推广应用，软土地基处理设计总体上达到了国际领先水平。

沪宁城际铁路正线软土及松软土路基长度62.333 km(含黄渡至虹桥站直通线0.819 km)；联络线动车走行线等路基长度共8.017 km，软土及松软土路基长度5.032 km。铁路技术标准包括300 km/h无砟轨道至80 km/h有砟轨道各级速度目标值线路，以及高速站、动车运用所等大型场地。软土地基处理方法涵盖了换填法、复合地基法、刚性筏板结构以及特殊结构等主要高速铁路地基处理设计类型，在高速铁路软土路基设计中具有典型意义。

4.1　钻孔桩联合多跨连续薄板梁结构

钻孔桩联合多跨连续薄板梁结构由钻孔桩和上部钢筋混凝土承载板梁组成。其加固深度不受地层结构控制，适用于深厚软土地段、双(多)层软土地段、下穿既有交通设施地段、临近既有线地段，以及当CFG桩、管桩等加固措施加固深度不足或施工困难地段。

钻孔桩联合多跨连续薄板梁结构中板梁为C30钢筋混凝土板，单元板梁长26.98 m(2.5 m+7 m+8 m+7 m+2.5 m)，宽13.0 m，厚0.8～0.86 m。沿纵向设4排、每排横向设5根钻孔桩，间距2.6 m，桩径0.8 m，单元板梁之间设0.02 m伸缩缝。综合考虑动力特性、结构设计等各种因素，轨道结构混凝土底座板以下至薄板梁间填土厚度1.4～2.5 m较为合理。计算时，轨道结构混凝土底座下填土按45°应力扩散角作用于板梁顶面，永久荷载考虑列车荷载、填土荷载、结构自重、温度力等，并进行特殊工况荷载组合验算，将整体结构视为平面钢架，采用COMPUTATION OF PILE FOUNDATION、桥梁博士系统等计算工具进行结构内力计算，按允许应力法进行结构配筋设计。

该方案成功解决了在深厚层软土地段、多层软土地段、厚层硬壳层地段、临近既有线地段及下穿高架道路地段软土地基上无砟轨道高速铁路沉降控制的关键技术问题，并满足低填浅挖地段路基基床要求。

4.2　管桩桩筏整体结构

管桩桩筏整体结构是由高强度预应力混凝土管桩和筏板共同组成的整体结构，管桩桩径0.5 m，间距2.2～2.4 m，正方形布置，桩顶设C30钢筋混凝土筏板，板厚0.5 m，管桩和筏板采用“锚固式”连接，具有承载性能好、刚度大、抗变形能力强、经济性好等优点。

对并行既有线深厚软土地段，采用管桩桩筏结构辅以应力释放孔加固，以减少在地基施工期间引起的既有线隆起和水平位移，可确保既有线的运营安全。科技信息查新表明，“管桩桩筏结构辅以应力释放孔施工”技术为国内首创，该技术成功解决了在加固深度超过20 m的深厚层软土地段高速铁路路基沉降控制的关键技术问题，并满足低填浅挖地段路基基床要求。

4.3　CFG桩桩筏整体结构

CFG桩桩筏整体结构设计技术即竖向采用CFG桩处理，在桩顶设0.2 m厚碎石垫层，垫层以上设C30钢筋混凝土板，板厚0.5m。CFG桩桩径0.5 m，间距1.8～2.4 m，正方形布置。考虑到钢筋混凝土受温度影响及施工便利，根据CFG桩桩间距不同，筏板长度分别设为14.38 m、15.28 m，筏板宽大于轨道板外缘1∶1应力扩散线以外。

在列车动荷载作用下，桩网结构柔性加筋垫层由于受动力作用而变得复杂，当填土高度小于3 m地段，或无硬壳层软土地基地段，采用桩筏结构可保证低矮路基的长期稳定性。在桩顶与筏板间铺设一层碎石垫层，改善了桩-筏受力特性，简化了结构的受力分析模型。

4.4　CFG桩桩网结构

CFG桩网复合地基，桩径0.5 m，间距1.6～1.8 m，正方形布置，桩顶设置扩大桩头，并于桩头顶铺设0.6 m厚的夹筋碎石褥垫层，夹筋材料为两层经编双向土工格栅，抗拉强度不小于110 kN/m。

桩网结构适用于填土高度大于等于3.0 m地段，桩顶采用扩大桩头，可避免桩顶的刺入破坏，有利于荷载向桩集中，以便更充分发挥桩的承载作用，同时也可以改善桩顶部分加筋垫层受力。

4.5　碎石注浆桩桩筏整体结构

碎石注浆桩为非挤土桩，具有工艺简单、质量易控、工效高等特点，适宜狭小空间地基处理，桩径0.5 m，有效处理深度可达30 m，成桩后桩体强度可达15～20 MPa，属刚性桩范畴。其工法是先采用小型钻机成孔，孔内预埋洗孔和注浆管，之后填充粒径单一、级配不良的粗骨料，用清水洗孔后再注入M40水泥砂浆，待水泥砂浆初凝后进行桩头补浆处理。碎石注浆桩桩筏整体结构即在桩顶设0.2 m厚碎石垫层，垫层上部铺设C30钢筋混凝土板，板厚0.5 m。

在下穿丹昆公路、常澄高速公路等软土地基处理中应用了该项技术。施工期间未对公路桥梁结构和既有沪宁铁路运营造成不利影响，路基建成后，工后沉降小于15 mm，满足铺设无砟轨道要求。无砟轨道下穿既有公路软土路基处理中采用碎石注浆桩桩筏结构为国内首创。

4.6　搅拌桩结合素混凝土微型桩

针对上海西至上海站间有碴轨道低填方路基，采用搅拌桩结合素混凝土微型桩处理。搅拌桩顶设0.6 m碎石垫层，内夹一层土工格室，桩径0.5 m，桩间距1.0 m，正方形布置，桩长8.0～10.0 m；靠近既有线侧4.0～6.0 m范围内地基采用C15素混凝土微型桩加固，桩径0.3 m，素混凝土微型桩间距0.6 m，正方形布置，桩长2.5 m。

DK290+210～DK292+497.19工点应用搅拌桩结合素混凝土微型桩处理，解决了临近既有线有砟轨道低填软土路基基床承载力不足的问题，同时也保证既有运营线路的安全。

5结束语

(1)沪宁城际软土路基成功处理，改变了高速铁路在深厚层软土地区以桥代路的传统观念，对我国高速铁路的发展具有重大意义。地基处理设计充分考虑了边界条件的复杂性，确保了相关交叉工程施工安全和施工期间既有沪宁线的正常运营。

(2)结合软土地基处理设计施工开展了钻孔桩+连续薄板梁结构设计技术、预应力管桩、CFG桩、碎石注浆桩桩筏结构设计技术、素混凝土微型桩设计技术等相关试验研究，取得了丰硕成果，对完善相关规范、提高高速铁路路基设计水平具有极大的促进作用。

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中图分类号：P209

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)02-0042-03

作者简介：李杰(1971—)，男，1995年毕业于中南工业大学岩土工程专业，高级工程师。

收稿日期：2014-12-18